创建纳米特色课程，提升学生科学素养

□江苏省苏州工业园区独墅湖学校　朱红伟　吴兰兰



创建纳米特色课程，提升学生科学素养

□江苏省苏州工业园区独墅湖学校朱红伟吴兰兰

【摘要】苏州工业园区独墅湖学校依托区域优势，围绕“树人”育人理念，独创性地创建纳米科技特色课程，营造良好的纳米教育氛围，建设了纳米创新实验室，根据不同年龄层次学生的认知特点，巧妙地将纳米知识整合在小学科学、初中生物、物理、化学等学科课程中，扎实推进纳米科技特色教育课例，让学生在动手实验和探究的过程中，了解纳米知识，掌握纳米观测仪器的使用，提高动手能力，培养创新意识，提升科学素养。

【关键词】纳米科技特色课程科学素养

苏州工业园区独墅湖学校围绕“树人”的育人理念，借助课程为抓手，聚焦学生的“道德、人文、科学、艺术、心理、体育”六大基本素养，努力成就每一个学生。其中科学素养的培养，学校适应当代科技发展的潮流，依托区域内的人文环境和丰富资源，着力打造全新的科学课程——纳米科技特色课程，把纳米科技引入学校科学教育范畴，与小学科学、初中生物、物理、化学等学科有机融合，并尝试开发校本教材，努力提升学生的创新能力和科学素养。

一、独树一帜，创新建设纳米特色课程体系

近年来，我国纳米科技在中小学的教育受到国家相关教育部门的重视。全国教育科学“十二五规划”教育部重点课题将“中学纳米科技创新实验室”列入子课题进行研究，教育部教育装备研究与发展中心也将“中学纳米科技创新实验室”作为提高中学理科教学手段的重要途径。我校独创性地提出了九年制纳米科技特色教育课程，这是第一个整合相关学科课程中纳米知识，形成以纳米知识为主题的课程体系，课程内容由浅入深，由科普到探究，由课堂到课外，分学段有序进行，其研究成果将对我国进行中小学纳米科技教育起到一定的引领示范作用。

我校开展纳米科技教育有着得天独厚的优势。一是地域优势。我校坐落于高新技术扎堆的独墅湖科教创新区内，学校周边有众多国家级纳米技术研究院所，如中科院纳米所、生物纳米园、纳米城——世界最大的纳米产业基地，还有多所大学也在苏州设立纳米技术的研究生院，这些都为学校开设纳米特色课程提供了非常好的学习环境，为组织学生的参观、实验、实训、实习，提供了很好的条件。此外，我校也是教育部教育装备研究与发展中心及苏州海兹思纳米科技有限公司共建的中小学纳米实验实训基地所在地，这一切都为我校建设纳米科技特色学校，提供了资源、硬件和软实力上的充分准备。二是师资优势。教师是开发课程的主体，我校纳米科技教育课程开发组的教师都是学科的教学骨干，有学科带头人，有省市基本功、评优课竞赛一等奖获得者，都具有很强的再学习能力。科研院校的专家也热心于纳米科技的普及，也是本课程开发团队成员。三是学生及家长优势。我校很多学生是独墅湖高教区科研单位精英或大学教师的子女，从小受到家庭的熏陶，对科学探究的兴趣比较浓厚，动手能力强，思维活跃。同时，部分学生家长就在纳米相关企业就职，这部分家长能为课程的开发提供便利条件和技术指导。

二、切合实际，巧妙设置纳米特色课程内容

纳米科技是一门尖端科学，为有效拉近学生与“纳米”的距离，在课程设置上，学校根据不同年龄层次学生的认知特点，将纳米科技的相关知识整合到小学科学、初中生物、物理、化学等学科课程之中，以纳米科技的基础结构为核心设计课程系列，以一种循序渐进、螺旋上升的主题单元形式让学生从初步了解纳米科技知识到深入开展纳米科技探究实验，掌握纳米观测工具的使用，并学会探究学习的方法，进而开发创新意识、提高科学素养。具体课程设置如下——

小学第一学段：学生自主活动占90%，侧重研发纳米科普和学生自己动手实验的课程，力求课程表现手段的多样性，比如卡通纳米故事会、观看视频PPT、游戏、表演、动手小实验等，让低年级学生直接感受生活中的纳米现象，接触纳米科技的奇妙，激发学生兴趣。

小学第二学段：学生自主活动占70%，侧重教师传授知识与学生动手实验相结合的课程，让学生在教师的带领下，通过科学的方法感受现象后并思考其原理，引导学生通过网络搜索、户外采集、书本阅读、观看纳米小实验等方式，激发学生产生探究真相的学习兴趣，探索现象背后的纳米科技知识和原理。

初中一年级：挖掘初中生物学科中的相关内容，在教师的引导下，深入探究纳米科技知识，侧重学习使用纳米观测仪器进入纳米世界，探知验证课本知识，学习纳米显微镜的初步原理，逐步掌握探究纳米世界的工具的使用方法，通过直接观察的方法，进入纳米结构表征的认知。

初中二年级：挖掘初中物理学科的相关内容，在教师带领下，开始尝试独立操作纳米检测仪器，进行科学实证，深入学习纳米相关知识在生产生活中的应用。

初中三年级：挖掘初中化学学科的相关内容，引导学生自主设计观察纳米形貌的小实验，加深对纳米科技的理解，并能将所学知识物化成模型展品、创意设计等，通过小组探究完成纳米科技实验，提高学生科学探究能力，培养学生的创新意识。

三、与时俱进，借力营造纳米科技教育氛围

纳米存在于我们肉眼无法看到的微观世界，如何帮助学生真切地感受到它的存在呢？为此，独墅湖学校为纳米课程的开设配备了先进的纳米科技创新实验室。实验室里最引人注目的是两台世界先进的纳米实验仪器——教学型扫描隧道显微镜（T-STM）和原子力显微镜（T-AFM）。这两款纳米显微镜可以从不同角度观察材料表面的结构，并能将观测到的图像转变成三维图像。它们的分辨率达到纳米级，而且是超微型一体化设计，是目前世界上最小、最先进的纳米教学仪器。值得一提的是，学校这间实验室的所有设备包括两台显微镜，全部由合作单位无偿捐赠。

纳米科技创新实验室的创建，为学生开展实验探究和科学验证提供最直接有效的硬件支持，也营造了浓厚的纳米科技学习氛围。在纳米课程的学习中，纳米科技创新实验室成了学生最喜爱的学习场所。在这里，学生可以观察到物品表面的微小结构，去感知“原子”的真实存在，去理解纳米的大小尺寸；在这里学生可以动手操作世界先进的仪器，学会通过实验去进行研究学习；在这里，学生们享受着对未知世界的探索发现带来的无限乐趣……

四、有声有色，积极开展纳米探究活动课例

该课程已在初中一年级顺利推进了一年多的时间，由生物学科教师授课。任课教师结合生物学科特色和内容设置，开发出纳米相关领域的七大主题、共20多个课例，开展了丰富多彩的学生活动，积累了大量的图片和文字资料。这七大主题分别是——

第一单元：什么是纳米？——认识纳米。包括：“什么是纳米”、“什么是纳米科技”、“参观科技长廊，探寻纳米奥秘”3课。

第二单元：如何看到“纳米”？——认识观测纳米结构的工具。包括：“认识扫描隧道显微镜”、“认识原子力显微镜”、“学习制作DVD样品”、“DVD中的信息存储在哪里”4课。

第三单元：“纳米”真的存在吗？——探究“莲叶效应”。包括：“自然界中的纳米现象”、“探究莲叶的疏水性”、“探究校园植物的疏水性”、“探究动物的疏水性”、“‘莲叶效应’的纳米结构观测”5课。

第四单元：我们能制造“纳米”吗？——纳米颗粒DIY。包括：“自制碳颗粒探究疏水性”、“探究碳颗粒对油的亲疏性”、“碳颗粒的纳米结构观测”3课。

第五单元：“纳米”有什么用？——体验纳米科技的应用。包括：“观看科普视频畅想纳米未来”、“神奇的石墨烯”、“制作石墨烯的模型”3课。

第六单元：关于纳米，我想了解更多！——纳米科技校本课程实践活动。包括：“参观纳米研究所，了解纳米新进展”、“参观江苏纳米城练习使用显微镜”、“家长进校园共叙纳米缘”3课。

第七单元：纳米就在我身边！——纳米科技创新大赛。本单元为期末检测内容，目的是将学生所学知识物化成学生的创新点子、模型制作、创意海报、科幻作文等。

本学期，学校又在初中二年级物理和小学科学两门学科中开展纳米科技特色教育，不断推进纳米科技特色课程，丰富学生活动探究课例。

五、行之有效，切实提升学生创新科学素养

我校纳米科技特色课程推行探究式教学，点燃学生创新智慧的火花，提升学生的科学素养。以“纳米真的存在吗”这一单元为例，首先，教师从周敦颐的《爱莲说》谈起，让学生联系生活实际提出疑问：为什么莲叶能“出淤泥而不染”、水珠能在莲叶上滚动？为什么莲叶的表面始终是干干净净的？接着组织学生分别观察水滴在表面光滑、被晒干及表面被沙皮破坏的莲叶上滚动后的现象，并对“莲叶效应”产生的原因进行猜测；随后让学生选择了校园里约10种植物的叶片，收集了蝉、蜻蜓、蝴蝶的翅膀，甲虫的外壳，鸡、鸭、鹅的羽毛等进行探究，一方面查阅资料，一方面通过原子显微镜进行观察，同时联系中科院电镜所的专家，请他们帮忙测定植物表面的结构，提供莲叶表面的电镜照片。

在一步步实验、观察、思考、推测、论证下，莲叶“出淤泥而不染”的原因逐渐明晰，学生明白了正是这些动植物表面具有规则排列的纳米级突起，稳定吸附了一层空气膜，使水分子无法渗入，因而具备了疏水性，同时能自动清洁黏附在表面的杂质，使其不被污染。

研究并未到此为止，一些善于思考的学生提出了新的疑问：如果能在普通材料表面涂上纳米颗粒，那么这种材料是否也会具有与莲叶一样的防水防污功能呢？纳米级颗粒如何制造呢？……教师推荐给学生几本台湾中学使用的纳米教育的教材，让学生们从中寻找灵感，于是，学生们开始了动手制造纳米颗粒的新的探究……

提出问题、做出假设、寻找方法、设计实验、得出结论、形成新的问题……纳米课程教师为孩子们设计的探究式学习活动，例如：“纳米纳米什么米”“自然界中的纳米现象”“参观科技长廊，探寻纳米奥秘”、“神奇的石墨烯”等，主要培养学生对信息的收集、汇总、表达交流能力；“探究校园其他植物的疏水性”强调学生的观察、比较、归类能力；“探究碳颗粒对水和油的亲疏性”等锻炼了学生提出问题、做出假设、设计实验并进行科学实证的探究能力；激发他们关注前沿科技，并将所学所见物化成具体的创新思维、创新设计和模型等。通过这些活动，学生开阔了视野，激发了探究欲望，提高了动手能力，提升了创新意识，活跃了创新思维，为培养良好的科学素养奠定了基础。

目前，我校的纳米科技课程已成为我校的特色课程、品牌课程，辐射效应明显，成为全国开展纳米科技特色课程的标杆。目前，学校已经接待了苏州、常州、广州、上海、深圳等多省市的主管教育部门、兄弟学校的参观、学习。瑞士Nanrsurf AG首席执行官、伊朗副总统国际事务顾问以及伊朗国家纳米振兴委员会的成员也专程到我校就纳米科技特色课程进行了交流。我们有理由相信，我校纳米科技特色课程的创办，将对课程改革产生积极影响，并为促进学生的终身发展打下坚实的基础。

(作者简介：朱红伟，特级教师，中学高级教师，江苏省教育督学，苏州工业园区独墅湖学校校长；吴兰兰，苏州工业园区独墅湖学校教师）